3. Энергетические и фотометрические величины и единицы

Излучение в пространстве или в прозрачной однородной среде можно характеризовать двумя группами величин:

а) энергетические ― характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники излучения. Энергетические характеристики измеряются в механических единицах, например по производимому ими тепловому воздействию. Эта группа величин используется в теории теплового излучения.

б) световые (фотометрические) ― характеризуют излучение по зрительному или световому ощущению, оцениваемому по действию света на глаз человека (исходят из так называемой средней чувствительности глаза) или другие приемники излучения. Световые характеристики субъективны, и используются только для видимого света.

Исходным физическим понятием при построении систем энергетических и световых величин является переносимая излучением энергия или, иначе говоря, лучистая энергия. На практике чаще приходится рассматривать испускаемую, переносимую и воспринимаемую мощность.

Энергия излучения есть интеграл от мощности излучения по времени

(1.32)

Энергия излучения измеряется в джоулях [Дж].

Световая энергия есть интеграл от светового потока по времени

(1.33)

Световая энергия измеряется в люмен-секундах [ ].

Энергетический и световой потоки. В системе энергетических (лучистых) величин мощность излучения называется энергетическим (лучистым) потоком или потоком (мощностью) излучения, потоком энергии. Другими словами, энергетическим (лучистым) потоком называется количество энергии, испускаемой (переносимой или поглощаемой) источником в единицу времени.

Если за промежуток времени испускается лучистая энергия , то лучистый поток

(1.34)

Лучистый поток измеряется в единицах мощности, Ватт [Вт].

Величиной, которая в системе световых величин аналогична лучистому потоку, является световой поток, т.е. мощность излучения, оцениваемая по его действию на средний человеческий глаз (световому ощущению).

Если за промежуток времени испускается световая энергия , то световой поток

(1.35)

Единицей измерения светового потока является люмен [лм]. Он равен световому потоку, испускаемому точечным источником света в одну канделу внутри телесного угла в один стерадиан, т.е.

. (1.36)

Примечание. Опытным путем установлено, что световому потоку 1 лм, образованному излучением с длиной волны 0,555 мкм, соответствует поток энергии 0,00146 Вт.

Силы излучения и света. Понятия лучистого и светового потока служат основой для образования производных величин, необходимых в фотометрической практике. Обычные источники испускают излучение в различных направлениях неодинаково. Для того чтобы охарактеризовать распределение потока по направлениям, необходимо ввести величины, определяющую пространственную (угловую) плотность потока.

Это сделать проще (хотя такое упрощение необязательно), если рассматривать излучение на расстояниях, больших по сравнению с размерами источника, иначе говоря, на расстояниях, при которых источник можно считать точечным.

Энергетическая сила излучения (сила излучения) представляет собой лучистый поток , приходящийся на единицу телесного угла , в котором он распространяется:

(1.37)

Энергетическая сила излучения измеряется в ваттах на стерадиан [Вт/ср].

Примечание. Если на сфере выделить площадь , равную квадрату радиуса сферы , и соединить границы этой площадки с центром сферы, то телесный угол будет равен единице, так как при

.

Поэтому телесный угол, вырезающий на поверхности сферы площадку, равную квадрату радиуса этой сферы, принят за единицу телесного угла и получил название стерадиан [ср].

Телесный угол связан с плоским углом отношением

. (1.38)

Величина не имеет размерности.

Аналогичная световая величина ― сила света:

(1.39)

Эта величина характеризует распределение по направлениям светового потока .

Единица силы света – люмен на стерадиан ― имеет специальное название кандела [кд]; прежде она называлась свечой (candela ― по-латыни свеча). Кандела [кд] ― сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540^.10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.